张浩 王瑞 吴鹏 熊家轮

摘要：城市交通对桥梁依赖很大，涉及面也很广，所以对桥梁结构的安全性评估尤为重要。本文综述了常用的几种方法：外观检查评定法，基于规范的分析计算评定方法、静动荷载试验评定法、结构可靠度评定方法，并分析了每种方法的原理和优缺点，并指出需要解决的问题。

关键词：桥梁结构；安全性评估；方法原理

中图分类号：K928文献标识码： A

1.引言

桥梁是交通线路的咽喉要道，在国民经济和人民生活中占有特殊的地位。然而，桥梁建成通车后，各种因素导致桥梁的承载能力在逐年降低。如果对这些存在结构损伤和安全隐患的桥梁不及时的检测和评估，就不能及时对这些桥梁进行维修与加固，不仅会影响行车安全，甚至还会引发由于桥梁忽然坍塌、毁坏等灾害事故。目前常用的桥梁安全性评估方法有4种：基于设计规范的分析计算评定方法、静荷载试验评定法、动荷载试验评定方法、结构可靠度评定方法。所以选一种可靠的方法尤为重要。

2.常用评估方法原理及优缺点

2.1基于设计规范的分析计算评定方法

（1）原理及方法[2]

在对桥梁进行详细的外观检查并得到资料后，根据桥梁结构计算理论分析比较。除考虑实际桥梁调查状况外，桥梁实际的混凝土强度、钢筋有效面积、实际保护层厚度等影响承载力的参数也要考虑。对结构的荷载效应和抗力效应进行修正,根据修正后结构的荷载效应和抗力效应,依据承载能力极限状态的设计理论对结构进行验算,从而评定桥梁实际的承载能力水平,以其结果对现役桥梁结构进行评定。

钢筋混凝土及预应力混凝土结构验算公式如下：

（2-1）

式中：Sd——结构作用的效应函数；

G、γg——结构永久作用及结构永久作用（结构恒载）、永久作用系数；

Q、γq—— 结构可变作用及结构永久作用中的混凝土收缩、徐变影响力，基础变为影响力、结构可变作用系数；

Rd、γb——结构抗力函数、结构工作条件系数；

Rc、γc——混凝土强度设计值、混凝土材料安全系数；

Rs、γs——预应力钢筋或非预应力钢筋强度设计值、钢筋材料安全系数；

Z1——旧桥验算系数；

（2）优缺点

桥梁设计规范是指导桥梁设计的标准,这是基于工程力学、结构力学理论、结构试验结果和工程经验所得到的标准。因此这种方法具有坚实的理论基础和广泛的实践依据。

但是基于设计规范的分析计算评定方法有不少缺陷：由于没考虑各种因素在截面上引起的应力重分布，所以荷载效应与实际情况还有很多不同；在去Z1的时候，工程师的主观性比较大；模型的假定与桥梁实际状况有差异。

2.2静荷载试验评定法

（1）原理及方法[1]

利用静载试验来实测桥梁结构控制截面的位移、应变、裂缝等参数,然后与规范容许值相比较,由此推算对应于荷载等级的承载能力状态。静载试验获得的荷载效应与结构整体刚度和荷载的横向分布规律比较真实,因此其检测结果反映桥梁结构的实际工作状态,其可信度相当高。

①试验荷载效应值

式中:Ss——静荷载试验荷载作用下控制截面效应计算值；

S——控制荷载作用下控制截面最不利效应计算值；

μ——按规范采用的冲击系数。

②结构校验系数 [1]

式中:Se——试验荷载作用下实测值；

St——试验荷载作用下的理论计算值;

③相对残余变形

相对残余变形=

式中:Sp——试验荷载作用下残余变形值；

St——试验荷载作用下的理论计算值。

④桥梁承载力的确定

当静载试验项目比较完整时,可采用静载试验中主要挠度测点的校验系数η来评定结构的承载力。验算时用静载试验后的旧桥验算系数Z2代替Z1,对桥梁结构抗力效应应该折减或提高。

根据校验系数η得到桥梁验算系数Z2取值范围[2]。

（2）优缺点

静荷载试验评定法，节省了检测评定中在桥梁上作业的时间，不会造成太久的交通拥堵。对于理论上难以计算的部位，通过荷载试验可以直接达到了解桥梁工作状况的目的，也可以检验桥梁的设计与施工质量。但是在进行校验系数的计算的时候有几个不足之处：

（1）一般理论模型都趋于简单，通常都简化为平面问题，忽略了空间整体作用。

（2）由于施工、运营等因素的影响，模型的几何尺寸和边界条件与实际情况都有差异，所以只能得到一个近似的结果。

（3）未考虑材料相互间的摩擦力（如支座摩阻力对结构受力的影响）等。

2.3动荷载试验评定方法

（1）原理及方法[3]

多跨连续梁是线性多自由度体系，在外荷载作用下产生振动，这个过程可以用一个时间函数来描述，将任意时间的值作为一组抽样记录，这样的函数只能从统计的观点来描述。随即函数最主要的统计数字是他的平均值、均方值和方差。

从而求得n为振型序号。与正规坐标线性关联的任何反应量z（t）都可以利用关系式：

求得系数Bn（n=1，2，…）有标准分析法得出。

（2）优缺点

桥梁动力荷载试验能够得到桥梁结构的模态参数及强迫振动响应，结果准确，可靠，能够利用其结果来判断桥梁的健康状况，为桥梁的评估提供依据。但是这种方法对仪器的灵敏度要求较高，结果受设备的性能限制较大[3]。

2.4结构可靠度评定方法

（1）原理及方法

在早期的结构可靠度分析中，利用随机变量的平均值（一阶原点矩）和标准差（二阶中心矩）的数学模型分析结构的可靠度，并将极限状态功能函数Z=g（X1,X2,…,Xn）在平均值（即中心点上）用级数展开，使之线性化，然后求解可靠度，这就是一次二阶矩中心点法的基本原理[4]。

（2）优缺点

中心点法可以导出解析表达式，直接给出可靠指标β与随机变量统计参数之间的关系。当结构的可靠指标β较小时，即失效概率Pf较大时，Pf值对功能函数的概率分布类型不敏感。

但是该法的误差将随着线性化点到失效边界的距离的增大而增大。一般来说，该法选用的线性化点（平均值点），在可靠区而不在失效边界上。顾该法适用于基本变量服从正太或对数正态分布，且结构可靠度指标β为1～2的情况[5]。

3. 结语

基于桥梁信息的安全评估可以准确地评估桥梁的承载能力和安全性能，并充分提高桥梁的使用效率，为桥梁损坏的程度提出预警。这样就防止了桥梁的垮塌事故，延续了桥梁的寿命，对城市的交通具有重要的意义。

但是上述提到的依据桥梁外观来评定的方法中，人为因素较多，单靠专家的经验来评定具有一定的主观性；在基于规范的分析计算中，荷载效应修正系数和抗力效应修正系数的得来也存在一定的问题，一下这一点和静载试验存在一样的确定，就是模拟出的与实际情况存在较大的差异；而动荷载试验法则是耗费大量精力，设备还要受到限制。

桥梁静动荷载试验中，应注意：（1）各部分损伤严重的截面和病害严重的构件；（2）对悬索桥做静荷载检测时应对主缆索力、吊索索力、塔顶位移进行检测；（3）进行加载检测时，应针对取得的数据制定各种不同的工况。

参考文献：

[1] 潘旭东.现役钢筋混凝土梁桥结构安全性评估方法研究[D] 南京工业大学 2006，06，01 .

[2] 艾军,史丽远，乔光华等. 现有公路桥梁承载力的分析与评定[J]苏州城建环保学院学报 2000,09,30.

[3] 王自彬,岳渠德，赵金环，陈建强.动力荷载试验在桥梁检测评估中的应用[J] 青岛理工大学学报 2007,02,2

[4] 禹智涛，韩大建.结构可靠度分析的优化算法[J]华南理工大学学报 2003（4）.

[5] 杨伟军，赵传智.土木工程结构可靠度理论与设计[M]北京：人民交通出版社，1999.